instrumentation (pressure measure) french pdf

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Mesure de la pression (I-PRMSUR)

Notes

Projet n°. JI-195 Document n°. ELM-PUL-IC-TRC-0009

Avril 2011 Volume 1 sur 1

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XXX/XXX/XXX/000/xxx/xxxx

Services de formation © Petrofac 2011

Mesure de la pression

TABLE DES MATIÈRES

Objectifs/Introduction ............................................................ 3

1.0 Pression ..................................................................... 4

1.1 Échelles de pression ....................................................... 4

1.2 Instruments de mesure de la pression .................................. 4

1.3 Le simple baromètre à colonne de mercure ........................... 7

1.4 Le baromètre anéroïde .................................................... 8

1.5 Le manomètre ............................................................ 10

1.6 Pression de jauge ........................................................ 15

1.7 Pression absolue .......................................................... 16

1.8 Échelle dans le vide ...................................................... 17

1.9 La jauge de Bourdon ..................................................... 19

1.10 Jauges à soufflet ......................................................... 23

3



Objectifs/Introduction

Objectifs :

A la fin de ce cours, le stagiaire sera capable de:

Décrire la variable de pression

Identifier les appareils de mesure de la pression

Expliquer leurs principes de fonctionnement

Introduction :

Une activité importante dans les centrales pétrolières consiste à contrôler les très différents procédés de production d’hydrocarbures. Nous devons contrôler ces éléments dans un procédé qui peut changer et changera. Nous appelons ces éléments changeants variables. Dans ce module, nous discuterons de la variable de pression et expliquerons comment elle peut être mesurée.

4



1.0 Pression

1.1 Échelles de pression

Il y a trois échelles courantes de mesure de la pression:

Échelle de pression par jauge.

Échelle de pression absolue.

Échelle dans le vide.

1.2 Instruments de mesure de la pression

Les instruments de mesure de la pression sont les plus nombreux de tous les types d’instruments. Ils sont conçus pour mesurer un des paramètres suivants:

Pression atmosphérique

Pression de jauge

Pression différentielle

Pression hydrostatique

Pression absolue

Les méthodes les plus courantes pour mesurer la pression sont les suivantes:

1) La pression d’un fluide est mise en équilibre avec une colonne d’un liquide de densité connue. La colonne de liquide exerce une pression directement proportionnelle à sa hauteur verticale et à sa densité. Un exemple en est fourni par le manomètre simple à tube en U (voir une partie ultérieure).

2) Le poids d’un fluide est fait pour agir sur une surface connue.

Comme Pression

=

Force

ZONE

alors Force = Pression x surface

Donc il en résultera une force, dont l’intensité dépend de la pression.

5



La force peut alors être mesurée en:

a) La mettant en équilibre avec un poids connu, par exemple en utilisant un appareil d’essai à contrepoids, ou en:

b) Mesurant l’effort ou déformation qu’elle produit sur un milieu élastique, par exemple par une jauge à tube de Bourdon.

Des exemples de ces méthodes seront étudiés en détail dans les parties suivantes lorsque l’on décrira les types d’instruments suivants.

Baromètres

Manomètres

Jauges de pression

Transducteurs piézo-électriques, résistifs et capacitifs.

1.2.1 Définition du Pression

La pression peut être exprimée comme soit:

Une force par unité de surface ou

En termes de hauteur d’une colonne de liquide

La force sera généralement mesurée en newtons (N) et la surface en mètres carrés (m2). Ainsi la pression sera en newtons par mètre carré (N/m2) ou pascals

La pression peut être indiquée en bars, où un bar est égal à 100 000 N/m2, c.-à-d. 1 bar = 105 N/m2.

6



0 psia

14,696 psia

64,696 psia

0 psig

-14,696 psig

Pression atmosphérique au niveau

de la mer

Pre

ssio

n d

e ja

ug

e

Pre

ssio

n a

bso

lu

e

50 psig

10 psig

PR

ES

SIO

N

DIF

FE

RE

NT

IE

LL

E

de

4

0 p

si

Figure 1.1

Description psi kPa cm of H

20

Pouces en Hg

mm of Hg

Pouces en H20 Atmosphères bar mbar

psi 1 6,894757 70,307 2,036 51,715 27,681 0,068046 0,0689 68,948

kPa 0,145 1 10,197 0,2953 7,5006 4,0147 0,009669235 0,01 10

cm en H20 0,0142 0,098063 1 0,029 0,7355 0,3937 0,000967814 0,001 0,9806

pouces Hg 0,4912 3,386389 34,533 1 25,4 13,595 0,0334211 0,0339 33,864

mm en Hg 0,0193 0,133323 1,3596 0,0394 1 0,5353 0,00131579 0,0013 1,3332

pouces H20 0,0361 0,249082 2,54 0,0736 1,8683 1 0,00245825 0,0025 2,4909

Atmosphères 14,696 101,3254 1033,3 29,921 760 406,79 1 1,0133 1013,3

bar 14,504 100 1019,7 29,53 750,06 401,86 0,986923 1 1000

mbar 0,0145 0,1 1,019 0,0295 0,7501 0,4015 0,00099 0,001 1

Tableau 1 : Tableau de conversion

7



1.3 Le simple baromètre à colonne de mercure

Le simple baromètre à mercure montre que l’atmosphère exerce sur la terre une pression dirigée vers le bas.

Il peut être fait d’un morceau de tube en verre d’environ un mètre de long. Il est fermé à un bout et rempli de mercure. La terminaison ouverte est temporairement bouchée et immergée dans le réservoir à mercure. Lorsqu’ensuite le bout submergé est ouvert, la colonne de mercure est maintenue en raison de la pression de l’atmosphère sur la surface du mercure dans le réservoir.

Ceci fut étudié en premier par Torricelli (un élève de Galilée) qui conclut que l’espace au-dessus de la colonne de mercure était du vide et que la pression atmosphérique maintenait cette colonne. Vous pouvez parfois le trouver désigné sous le nom d’appareil de Torricelli.

En se référant à la figure ci-dessous, nous pouvons voir que l’air pousse le mercure dans le tube jusqu'à une hauteur h (en moyenne, c’est 076 m). Ainsi, la pression de l’air est égale à la pression exercée par une colonne de mercure de hauteur h m.

Mercure

Tube en

verre

Pression

atmosphérique

Réservoir

de mercure

Vide

H (varie avec

la pression

atmosphérique)

Figure 1.2 : Baromètre à colonne de mercure

8



Donc, si la hauteur verticale de la colonne est h m en référence à la Fig. 1.2, nous pouvons dire que A et B sont tous les deux dans le liquide et situés à la même profondeur au-dessous de la surface en C:

Pression en B = Pression en A

Maintenant Pression en A = Pression atmosphérique

et pression en B = ρgh N/m2

= Densité de mercure = 13 600 kg/m3

et g = Accélération de la pesanteur = 9,8 m/s2

Par conséquent:

Pression en B = h x 13 600 x 9,8

Ainsi, quand h = 0,76 m de mercure,

Pression en B = 0,76 x 13 600 x 9,8

=101 300 N/m2

= 101,3 k N/m2

= Pression atmosphérique

1.4 Le baromètre anéroïde

Le baromètre anéroïde fut inventé en 1848.

Il consiste principalement en une enceinte vidée à parois métalliques souples. Au fur et à mesure que la pression de l’atmosphère change, la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur de l’enceinte la fait se dilater et se contracter. Ces mouvements sont amplifiés mécaniquement et utilisés pour déplacer une aiguille autour d’une échelle graduée. Les mouvements peuvent aussi être détectés électroniquement et le signal envoyé vers un indicateur ou un enregistreur numérique.

Ce type de baromètre est compact et léger, il ne comporte pas de liquide dans sa construction et peut effectuer un enregistrement réel des changements de pression. Ceci fait du baromètre anéroïde un instrument très pratique. Cependant, il ne donne pas une lecture absolue et doit donc être vérifié régulièrement en fonction d’un baromètre à mercure étalon.

9



Echelle

graduée

Aiguille

RessortVide

Parois

métalliques

souples

Enceinte

vidée

Figure 1.3 : Le baromètre anéroïde

1.4.1 Barographes

Les barographes sont des baromètres anéroïdes couplés avec un graphique qui se déplace afin de pouvoir conserver un enregistrement de la pression atmosphérique sur une période de temps. Au lieu d’une aiguille qui se déplace sur une échelle graduée, un stylet enregistreur se déplace sur un graphique et y inscrit la valeur de la pression.

1.4.2 Comparaisons des baromètres

Pour des valeurs continues et instantanées de la pression atmosphérique, le barographe ou le baromètre anéroïde constitue un instrument idéal. Ils sont probablement le meilleur outil de prévisions météorologiques locales à court terme.

Pour les usages non-météorologiques, le baromètre à colonne de mercure, particulièrement le modèle de Fortin, est l’instrument standard le plus couramment utilisé pour la mesure de la pression atmosphérique. Il est très précis et très sensible.

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1.5 Le manomètre

Le manomètre est un instrument de mesure de la pression qu’il indique en termes de hauteur d’une colonne de liquide. Il consiste en un simple tube en U qui contient un liquide.

Atmosphère

Pression

mesurée

Tube en U

Liquide

Figure 1.4 : Le manomètre

Ce peut être de l’huile ou de l’eau pour les mesures à basse pression ou du mercure pour les mesures de pressions plus élevées. La différence (h) des niveaux du liquide dans les deux branches du tube indique qu’il y a une différence de pression entre les deux surfaces du liquide. Cela peut être mesuré sur une échelle graduée.

L’équation pour la pression P à un point A dans un liquide due au liquide lui-même est:

P = ρ = densité du liquide

g = accélération de la pesanteur

h = profondeur du liquide au point A.

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Nous avons auparavant mentionné l’utilisation de différents liquides dans un manomètre. La raison pour cela peut être déduite de l’équation. Un liquide de forte densité, comme le mercure, signifie que le membre droit de l’équation sera élevé et donc que, pour l’équilibrer, on pourra traiter une valeur plus forte. Par exemple, une pression de 1 bar supportera une colonne de mercure de 0,75 m de haut. Elle supporterait une colonne d’eau d’environ 10 m de haut.

La gamme habituelle de pressions couverte par l’usage d’un manomètre est de 0 à 1,5 bars au-dessus de la pression atmosphérique.

Quelques-uns des liquides indicateurs utilisés dans les manomètres sont montrés ci-dessous :

Liquide Densité relative

Huile pour transformateur 0,864

Eau 1,00

Phtalate de dibutyle 1,048

Tétrachlorure de carbone 1,606

Mercure 13,560

Tableau 2 : Types de manomètres

Les principaux types de manomètres sont les suivants:

Le type à tube en U ou à deux branches

Le type à une seule branche

Le type à tube incliné

Ce sera traité de manière plus détaillée dans un manuel ultérieur mais une brève description peut s’avérer utile ici.

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1.5.1 Manomètre à tube en U ou à deux branches

Ce type est largement employé en tant que moyen simple de mesure de la pression. Pourvu que l’on prenne une lecture des niveaux dans chaque branche, la forme et la taille du tube en verre n’affectent pas la précision dès lors que le tube est parfaitement vertical.

Dans la pratique, il est plus commode d’avoir une échelle graduée réglable à partir d’une ligne du zéro placée au centre. Cela peut alors être lu soit sur le côté droit ou le côté gauche de l’échelle graduée. Avec cette configuration, il est primordial que le tube en U soit de calibre uniforme, sinon les lectures prises sur les échelles gauche et droite seront en désaccord.

Echelle

réglable

Tube du

manomètre

Liquide du

manomètre

Figure 1.5 : Manomètre à tube en U

13



1.5.2 Manomètre à une seule branche

Ce modèle est au fond encore un manomètre à tube en U avec une branche beaucoup plus large en diamètre que l’autre.

Comme l’aire de la surface du liquide dans l’une des branches est beaucoup plus grande que dans l’autre, cela veut dire que presque tout le déplacement du liquide se produit dans une branche, d’où le nom de « seule branche ».

Echelle

Liquide du

manomètre

Figure 1.6 : Manomètre à une seule branche

1.5.3 Le manomètre à tube incliné

Dans ce type de manomètre le tube est incliné de telle façon que l’on puisse lire l’échelle graduée de manière plus précise. Ceci est dû au fait que le déplacement du liquide est, dans un sens, amplifié, sa variation horizontale étant plus grande que sa variation verticale. Cela peut être observé clairement sur la Figure 1.7.

Echelle

inclinée

Lecture

agrandieLiquide du

manomètre

Figure 1.7 : Le manomètre à tube incliné

14



1.5.4 Lecture du ménisque

Lorsqu’on effectue une lecture sur un manomètre, on doit toujours prendre soin de prendre le niveau du liquide de la même manière. C’est au sommet ou à la base du ménisque, selon que l’on soit dans le cas d’un ménisque orienté vers le haut ou vers le bas. La meilleure illustration se trouve sur la Fig. 5 où l’on montre des exemples d’un ménisque orienté vers le haut et d’un ménisque orienté vers le bas et ce pour un tube vertical et un tube incliné.

Tubes verticaux

Tubes inclinés

Mercure Autres liquides

que le mercure

Mercure

Autres liquides

que le mercure

Figure 1.8 : Lecture du ménisque

15



1.6 Pression de jauge

Une échelle de pression de jauge utilise la pression atmosphérique comme point de départ de toutes les mesures.

Cela signifie que le zéro sur une échelle de jauge est la pression atmosphérique.

Une jauge de pression ouverte sur la pression atmosphérique indiquera zéro si elle est juste.

Les jauges de pression zéro (psig) sont égales à la pression atmosphérique (14,7 psi).

La pression de jauge est généralement mesurée en psig.

CECI INDIQUE 60 PSI

DE PLUS QUE LA PRESSION

ATMOSPHERIQUE

CECI INDIQUE

LA PRESSION

ATMOSPHERIQUE

Figure 1.9 : Pression de jauge

16



1.7 Pression absolue

Qu’est-ce que la pression absolue?

La pression au zéro absolu est l’absence complète de pression dans un volume donné, même de pression atmosphérique.

La pression absolue est généralement exprimée en psia.

Une jauge de pression absolue ouverte sur l’atmosphère indiquera 14,7 psia au niveau de la mer.

Pression absolue = pression de jauge + pression atmosphérique

[exemple: 40 psig sera égal à 54,7 psia (40 psi + 14,7 psi)]

PRESSION

ATMOSPHÉRIQUE

VIDE PARFAIT

CECI INDIQUE 45,3 PSI

DE PLUS QUE LA

PRESSION ATMOSPHERIQUE

Figure 1.10 : Pression absolue

17



1.8 Échelle dans le vide

Un vide parfait est un espace qui ne contient absolument pas de matière.

Le vide signifie une pression inférieure à la pression atmosphérique.

Le vide est couramment mesuré en pouces de Hg.

Une lecture de zéro sur la jauge de vide à mercure est égale à la pression atmosphérique.

La valeur maximale du vide en pouces de Hg est de 29,92 pouces (ceci représente un vide parfait)

Un vide d’un pouce de mercure est égal à -0,491 psi.

Plus le vide est élevé en pouces de mercure, plus la pression est basse.

CECI INDIQUE

25 POUCES DE MERCURE

OU 25 in Hg V = 2,4 psia

VIDE PARFAIT

29,9 in Hg V = 0 psia

PRESSION

ATMOSPHÉRIQUE

= 14,7 psia

Figure 1.11 : Échelle dans le vide

18



Tableau 3

19



1.9 La jauge de Bourdon

Commande

par pignon

Secteur

denté

Fente de réglage

de la calibration

Raccord d’arrivée

de la pression

Figure 1.12 : Jauge de Bourdon

L’élément constitutif le plus simple d’une jauge de Bourdon consiste en un tube à paroi fine qui a été enroulé aplati et façonné ensuite en forme de C. Lorsqu’une pression est appliquée, la section du tube tend à reprendre son profil initial circulaire et ainsi pousse le tube à chercher à se redresser. En conséquence, l’extrémité se déforme en arc de cercle. Ce mouvement est relié par un levier, secteur denté et pignon à une aiguille qui se déplace sur une échelle graduée circulaire pour indiquer la pression.

Profil du tube

Sous

pression

Figure 1.13 : Tube à paroi fine

20



Fenêtre

Cadran

Mécanisme

Boulons

de bride

Diaphragme Raccord

Aiguille

Boîtier

Event d’éruption

Figure 1.14 : Intérieur de la jauge

1.9.1 Applications

1) Dans l’industrie du gaz pour les réseaux de distribution à basse pression.

2) Dans l’industrie de l’eau et du tout-à-l’égout, pour le stockage et les équipements de dosage du gaz de chlore, les effluents d’élevage et les égouts.

3) Chaudières – pour la pression d’air des brûleurs – pressions de gaz et de fioul

4) Pharmaceutique – où la propreté du P.T.F.E. (polytétrafluoroéthylène) des parties en contact avec le produit est souvent essentielle.

5) Il peut être utilisé dans de nombreuses industries pour la mesure de la profondeur.

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1.9.2 La jauge à diaphragme souple

La jauge à diaphragme souple fonctionne sur le même principe que la jauge à diaphragme rigide, la différence principale étant au niveau des matériaux entrant dans la construction du diaphragme. Le diaphragme est fait de:

Tissu enduit,

Cuir fin, ou

Plastique

Il est souple et capable de mouvements de grande amplitude.

Un disque métallique est attaché au centre du diaphragme, ce qui transfère le mouvement du diaphragme au cadran par le biais d’un mécanisme de biellette et de broche.

1.9.3 Mesures préventives de sécurité

Verre de sécurité feuilleté

Disques arrières et sommitaux d’éruption

Jauges de pression

Doit être sûr

minimise le risque

Verre feuilleté

Disques arrières et latéraux d’éruption

Chicane entre le tube et le cadran

Verre feuilleté

Chicane(entre le tube et le cadran)

Mesures préventives de sécurité

Sécurité du tube de Bourdon

disque d'éruption

Figure 1.15

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1.9.4 Amortisseur - Amortisseurs de pulsations

Amortisseur- Amortisseur de pulsations

Jauge Jauge

Orifice variable

interne

Amortissement faible

Amortissement élevé

Action Action

Figure 1.16

23



1.9.5 Dispositif de protection contre les fuites et les variations

Jauge de pression

Protection contre

les variations

Pression appliquée

(action de pression)

Pression appliquée

(action de pression)

Pression

Figure 1.17

1.10 Jauges à soufflet

Un autre instrument de mesure de la pression qui ressemble beaucoup au diaphragme souple est celui à soufflet métallique. Non seulement ils se ressemblent mais ils fonctionnent de la même façon. La différence principale est que le soufflet ne possède pas de rugosité car il est fait à partir d’un seul tube.

1.10.1 Applications

Les dispositifs à soufflet ont de nombreux usages en instrumentation pneumatique; leur fonction de base est la mesure de la pression. Voyons comment le dispositif à soufflet peut s’avérer adapté aux mesures suivantes.

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1.10.2 Soufflet de pression de jauge

Pression

Soufflet Ressort

Figure 1.18 : Soufflet de pression de jauge

La pression est alimentée dans le soufflet pré-comprimé, (souvenez-vous qu’un soufflet de doit pas être étiré au-delà de sa longueur libre). Le mouvement obtenu est proportionnel à la pression appliquée.

1.10.3 Pression différentielle

(forte pression) (basse pression)

Figure 1.19 : Pression différentielle

Dans ce cas nous avons employé une paire de soufflets semblables montés face à face de l’autre. Le mouvement final est proportionnel à la différence entre les entrées de haute pression et de basse pression.

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1.10.4 Interrupteurs de pression

Les interrupteurs de pression convertissent une pression en un signal commuté ouvert/fermé (1 ou 0).

Les interrupteurs de pression, comme leur nom le sous-entend, changent l’état à une pression donnée.

Lorsque la pression allant dans les soufflets ou le tube de Bourdon atteint le point de déclenchement, un interrupteur électronique change l’état.

Le réglage est obtenu en augmentant ou en diminuant la tension du ressort en opposition.

La plupart des échelles sur les interrupteurs de pression ne sont qu’arbitraires et ne devraient être utilisées que pour servir de guide approximatif lors de l’installation.

Remarque: un interrupteur peut être installé en utilisant des pressions ascendantes ou descendantes.

Figure 1.20 : Interrupteurs de pression

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